（机械设计及理论专业论文）基于step标准的cad模型数据交换质量研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在并行工程和协同设计环境下，为了提升产品开发的效率，必须保证c a d 模型数据 在不同应用软件之间的交换质量。提高初始建模阶段c a d 模型数据交换质量的研究具有 较强的理论意义和实用价值。 本文在广泛查阅和研究国内外关于产品数据，数据交换，数据交换质量方面的理论 和技术的基础上，总结产品全生命周期中所涉及到的各方面的产品数据信息，确定其中 的c a d 模型三维实体数据信息及数据交换质量作为本文的研究对象。 本文论述了当前国际通用的c a d 数据交换标准s t e p ，重点研究e x p r e s s 信息建 模语言，详细地分析s t e pa p 2 0 3 中性文件结构，产品三维信息在数据交换过程中的信 息表达方式、模型数据的格式转换和映射，并通过s t e p 中间文件在两个常用的三维 c a d 系统p r o e 和s o l i d w o r k s 之间实现数据的交换。 根据c a d 实体模型的表达方式b r e p 和s t e p 中间文件所采用的信息模式，对c a d 产品 在数据交换中的容易导致交换质量问题的模型数据缺陷进行归类。将常见的数据缺陷分 为几何缺陷和拓扑缺陷两类，并分别进行归纳和整理。在分析中问文件信息模式的基础 上，总结并提出合理的建模方法和建模原则，从而实现在初始建模阶段获取与这种数据 交换方式相适应的c a d 模型数据的目标。 对部分具有典型代表意义的数据交换缺陷通过在p r o e 年i j s o l i d w o r k 两个c a d 软件之 间实施数据交换实验进行了测试，并结合实验的结果分析出现数据交换问题的原因。 本文从理论和实践上对数据交换质量问题进行探讨，全面总结出现数据交换质量问 题的主客观方面的原因，强调从主观上提高初始建模者的数据质量意识。在深入领会数 据交换标准s t e p 的基础上，提出具有可操作性的实用的建模原则、方法，使模型数据 更好地适应s t e p 中间文件数据交换方式的要求，尽量避免构造出与这种数据交换方式 不相适应的有数据缺陷的三维c a d 模型，以提升协同设计的效率。 关键词：c a d 模型；s t e p ；数据交换；数据质量；数据缺陷 尹卫星：基丁s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 r e s e a r c ho nt h ec a dm o d e ld a t aq u a l i t yf o rd a t ae x c h a n g eb a s e dt h e s t e p a b s t r a c t e n s u r i n gt h eq u a l i t yo fc a dm o d e ld a t ae x c h a n g e da m o n gd i f f e r e n tc a ds y s t e mc a n p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o fn e wp r o d u c t si nc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n ga n dc o l l a b o r a t e e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t s t h er e s e a r c ht oi m p r o v et h ed a t aq u a l i t yo fc a dm o d e li no r i g i n a l m o d e l i n gs t a g ei sv e r ys i g n i f i c a t i v eb o t ho nt h e o r ya n do np r a c t i c e b a s e dt h er e a d i n gm a ds t u d y i n gad e a lo f k n o w l e d g eo np r o d u c t i o nd a t a 、d a t a e x c h a n g e 、d a t aq u a l i t yf o rd a t ae x c h a n g e ，t h ep a p e rs u m su pa l li n f o r m a t i o ni n v o l v i n gp r o d u c t t o t a ll i f ec y c l ea n df o c u s e do n c o n c e p t so nd a t ai n f o r m a t i o na n dd a t aq u a l i t yo f3 - ds o l i d t h ep a p e rr e s e a r c h st h es t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) w h i c h i sp r e v a l e n ta l lo v e rt h ew o r l da n ds t u d y st h ee x p r e s sl a n g u a g eu s e dt ob es p e c i a l l yf o r i n f o r m a t i o nm o d e l i n g a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ru n d e r s t a n d st h es t r u c t u r eo fs t e p a p 2 0 3 ( a p p l i c a t i o np r o t o c o l2 0 3 ) n e u t r a lf i l e 、t h em e t h o do f3 - dm o d e li n f o r m a t i o n e x p r e s s i o na n dt h ew a yo fd a t ae x c h a n g e b a s e dt h ed a t af o r m a to fc a ds o l i dm o d e l t h ep a p e rc l a s s i f yt h eg e n e r a ld a t ae r r o r w i t hg e o m e t r ye r r o ro rt o p o l o g ye r r o ra n d p r o v i d e sf e a s i b l eg u i d e l i n e sf o rm o d e l i n gt o i m p r o v et h ei n i t i a ld a t aq u a l i t yo f c a dm o d e l sa f t e ra n a l y z i n gt h ec o m m o nm o d e l i n ge r t o r w i t hd a t ae x c h a n g i n g b ym e a e so fp e r f o r m i n gs o m ee x p e r i m e n to fm o d e ld a t ae x c h a n g eb e t w e e np r o ea n d s o l i d w o r d s ，t h ep a p e rv e r i f y ss o m ed a t ae r r o rm e n t i o n e da h e a do ft h ea r t i c l ea n dp o i n to u tt h e r e a s o no fd a t ae x c h a n g ee r r o r t h ep a p e rr e s e a r c ht h ed a t aq u a l i t yb o t ho nt h e o r ya n do np r a c t i c e t h eo b j e c ti s e m p h a s i z et h ed a t aq u n i t yf o rd a t ae x c h a n g eo nt h eo r i g i n a ld r a w e ra n di n t r o d u c et h e mg o o d g u i d e l i n e sf o rm o d e l i n gt op r o m o t et h ee f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c a dm o d e l ；s t e p ；d a t ae x c h a n g e ；d a t eq u a l i t y ；d a t ae r r o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 移埕垄笙丝 瓣 近年上月丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 论文选题及主要研究工作 1 1 选题背景 作为当前新兴的“世界工厂”，中国是一个还在不断发展壮大的制造业大国， 但事实上，因为科学技术的落后和产品自主开发力量的薄弱，中国的制造业大部分 还停留在来料加工、定单生产的阶段，这使得，中国的产品生产和国际市场开发往 往受制于人，所获取的利润也是非常的有限，所以说中国还远远不能称自己是一个 制造业强国。 随着世界新技术革命和经济全球化进程的加快，我国制造业面临严峻的挑战和 新的发展机遇。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，综合运用信息、现代 制造技术和管理技术，以信息化带动工业化，改造和提升传统产业，促进新兴产业 的快速发展，提高中国制造业技术创新能力和市场竞争能力，实现跨越式发展，是 当前中国制造业发展的基本战略。 计算机技术的发展为信息化提供了强大的技术支持。c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 、r p 、 m r p 、m r p i i 、e r p 、c i m s 等技术的研究开发和应用，使新产品的开发方式也发生了 革命性的变化。制造业向数字化、网络化、智能化、集成化和绿色化发展，提高了 对市场变化的快速反应能力和竞争能力。c a d c a e c a p p c a i p d m e r p ( 简称4 c p e ) 技术的应用与集成，促进了虚拟设计与制造、网络化异地协同设计和分散网络化制 造等技术的应用，以及并行工程、敏捷制造等技术和运行模式的研发和实现。 在当前盛行的并行工程和协同设计环境下，c a d 模型是整个产品开发过程的基 础。c a d 模型数据质量是指c a d 模型在并行工程和协同设计环境下、在数据交换过程 中能准确表达对象信息的能力。模型数据质量直接影响到最终产品的质量和产品对 市场的反应时间。好的数据质量是指在正确的时间将正确的数据传送给正确的人。 在企业之间，公司的不同部门之间，在产品设计、制造、装配等不同的生产过程中， 包括有限元分析软件，刀具路径生成软件，快速成形软件等在内的要用至f c a d 模型数 据的下游应用软件也都有自己专门的模型构建和识别内核，不同的软件建模内核都 采用自己独有的数据结构数据运算处理模式。于是在各个软件之间进行c a d 模型数据 交换时，就需要有中间数据交换标准如i g e s 、s t e p 等来辅助进行数据交换，要保证 数据传输的准确，就必须有与这些中问传输文件格式相适应的模型数据。高质量的 模型数据，能够被中间文件准确地表达，能够被下游软件准确地识别与接受，直接 的应用，不需要修补、修正乃至重新建模。这样就能保证协同设计的高效运转，极 大地提高产品的开发效率。 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 通过数据交换是实现c a d 模型互换的最好的途径，而后者是当前盛行的协同工程 的一个主要目标。并行工程和协同设计要求c a d 模型在发布之前要确保模型的数据质 量。如果等到在下游应用软件中发现了数据质量问题，追溯起来将相当困难且成本 高昂。1 。而且，一旦在最初的建模时保证了模型数据的质量，就能在动态的数据共 享环境中保持c a d 模型数据的一致性和完整性。本论文所做的主要工作就是研究在初 始建模阶段如何更好地保证c a d 模型的数据交换质量。 1 ，1 ，2 数据交换发展过程 c a d 系统在上世纪7 0 年代至f f s 0 年代前期开始广泛地应用到生产实践中，当时联机 进行数据交换还只限于公司内部业务，与外部零部件厂商进行数据交换都是通过磁 带来进行的。后来，各厂商和集团开始联网，至l j 9 0 年代初期，厂商、零部件厂商之 间才真正实现了联机方式的c a d 数据交换。 图1 1c a d 数据转换的发展历程 f i g 】1h i s t o r yo f c a d d a t ae x c h a n g e 最初，c a b 一产品设计数据都是以形状数据为主，而且限定在部门内部进行利用。 后来，在规格管理方面也开始使用c a d ，使得不同工序问可以共享信息，并行开展工 作，从而进入到并行工程阶段。 而今，又进一步发展到协作工程阶段，即不同部门的人员在同一工序内共享信 息，协同工作。于是，信息化逐步从公司内扩展到公司外，从国内扩展到全世界。 日本汽车工业协会与美国、欧洲共同制定 c a d 标准一s t e p ，并于2 0 0 0 年1 0 3 9 通 过了国际标准( a p 2 1 4 ) 认证。 另外，2 0 0 2 年，日美欧还决定共同研究制定产品设计数据授受管理标准。 大连理工大学硕士学位论文 关于正确授受产品设计数据所不可缺少的产品设计数据质量( p d q ) ，日、美、 欧三方也共同制定并发布了统一标准。 综上所述，始于7 0 年代的企业内部信息化，其最初的目的是实现制造工序的自 动化，提高业务效率。而进入8 0 年代后，相关企业内部的电子信息交换得到发展。 实现了以各个厂商为顶点的各企业e d i ( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ) 。从9 0 年 代开始，供应商的交易愈发趋于多样化和公开化，加之国际交易在企业、市场的全 球化潮流下进一步得到发展，一种适应全球化的e d i 备受期待。 11 2 数据交换和系统集成 每一个c a d c a m 系统都有自己的数据文件，数据文件的格式与c a d c a m 系统自身 内部的数据结构密切相关。由于各种c a d c 州系统功能各异，数据结构、表达格式和 数据类型也不尽相同，为了实现不同c a d c a m 系统之间，同类c a d c a m 系统的不同版 本之间，设计和制造部门之间的数据共享和信息交流，就需要设计合理的数据交换 机制。数据交换依赖予系统集成的级别。系统集成的级别可划分为3 种： ( 1 ) 应用模块的集合体，其中每个应用模块都使用自己的数据库。每两个不同的 应用模块之间要进行数据传递和互用，就必须进行数据交换。 ( 2 ) 一个单个工程设计阶段的所有应用模块使用一个数据库。例如，c a d 设计阶 段便用一个数据库，c a m 制造阶段使用一个数据库，这样，两个集成模块之间要进行 数据交换。 ( 3 ) 所有的应用模块以一个公共的数据库为中心。这种情况，虽然使用了集成化 的系统，但在产品设计过程中，可能要与集成系统之外的应用模块交换数据，或涉 及到不同的公司、任务组也要进行数据交换。上述三种情况并不是互斥的，从一个 级别到另一个级别的变化有一个过渡过程。例如，某些应用模块在开发的过程中使 用了公共的数据库或统一的数据模型已经集成在一起：而另一些模块还没有集成起 来，则必须进行数据交换。 数据交换涉及到数据的发送者和接受者，数据的发送者和接受者可以是如下对 象： ( 1 ) 各种工具软件之间： ( 2 ) 使用不同系统的不同设计人员队伍： ( 3 ) 设计者和制造者： ( 4 ) 制造者和供应商。 1 2 国内外数据交换质量问题目前研究现状 目前国内做这方面的研究的不是很多，研究的问题大多集中在c a d 系统针对 s t e p 中间文件格式前后置处理器的开发，专门的s t e p 文件格式浏览器开发，s t e p 中间文件格式中数据的挖掘和提取，与其它文件格式之间的转换和映射( 如v r m l ) ， 做的都是传递途径，传递方法，现成数据处理方面的工作，很少有从数据内容入手 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 的研究，本论文的特色就是从数据内容入手，从文件表达方式出发，研究的是数据 的交换质量。大部分的研究做的是数据交换的途径，手段和技术方面的工作，本论 文做的是交换内容方面的工作，相当于对所要交换的信息进行规范和标准化，使之 更适合于交换。这方面的工作国外有人在做，主要是在一些发达国家，由于发达国 家制造业所处的发展阶段决定了其对数据交换质量的需求，目前，国外已开发了一 些针对专门行业，面向特定功能需求的数据缺陷的识别、检测、修复方面的工具。 比如日本e l y s i u m 公司推出的p d q ( 产品数据质量) 工具最新版一“c a dd o c t o r v e r 5 2 ”。强化了在c a e 和c a m 等后期工序中进行应用数据的形状简化等功能。 1 3 本论文研究工作的意义 好的数据交换质量是企业，软件开发商，软件用户共同的目标和需求 ( 1 ) 好的数据交换质量能极大地提高企业的市场竞争能力。 并不是所有的企业现在就能达到更低的成本，但极大多数企业的目标是提高和 改进产品、缩短产品投放市场时间，所有这些都会使企业获得最大利润。所有可以 使用的方法中，最重要的就是协同工程，它为企业提供一个将设计、分析、自适应 设计原型样机在一个并行的、重叠的环境中，以尽可能缩短产品周期和降低成本。 客户和供应商之间由于经常忙于处理对方的数据而导致关系破裂，很有可能， 客户会终止与一个有协同性问题的供应商打交道，而偏向一个能毫无问题接受他们 系统数据的供应商或至少不进行重复劳动和对客户有抱怨。 在招标过程中，供应商通常必须快速响应一个合乎要求的定单，为此，他们需 要的不仅仅是一个能进行快速浏览和标记的工具，他们需要从c a d 系统中获取有 效的模型以进行正确评估，协同性问题对他们来说很重要，会影响到能否在招标中 获得竞争优势。 ( 2 ) 好的数据交换质量能极大地降低c a d 下游用户的劳动强度。 通常有限元分析师或数控编程员不可能直接对传递过来的c a d 几何进行操作， 他们必须对几何进行修改，有时甚至要对局部模型进行重新建立，以达到他们的要 求，遗憾地是，设计人员很少能得到下游用户反馈的信息。己经在进行各种调查， 许多组织开始考虑这个协同性问题。 研究表明在下游应用中有2 0 到7 0 的时间用在c a d 数据的重复劳动上，这 个百分比取决于用于数据操作的类型，但不管怎样，肯定会浪费时间和资源口j 。 考虑到分析工程师和加工工程师的工作目的是如何使用模型开展工作而不是修 补模型，所以这是一项巨大的、不增值的劳动。 大连理工大学硕士学位论文 表i i 下游重复建模时间比 t a b 1 1t h et i m er a t i oo f r e m o d e l i n gi nd o w n s t r e a ma p p l i c a t i o n 使用c a d 数据的下游应用重复劳动占项目时间百分比 c a e 一有限元分析 7 0 快速样机 5 0 c a d 一产品数据交换 2 0 c a m 一数控加工 2 0 重 c a d 系统 下游应用 图i 2 缺乏数据协同导致设计成本上升 f i g 1 2d e s i g nc o s ti n c r e a s e w i t h o u tt h ed a t ac o l l a b o r a t i o n ( 3 ) 好的数据交换质量对最后的产品质量有重要的影响 模型重复劳动的成本开支以及由此造成项目的延期是很严重的，对于一个企业 来说，即使每个月处理几个这样的模型，每年就要由于无谓的劳动而花去不少的费 用，而且问题不仅仅是钱的问题，更严重的和让人担心的问题是由于交换过程和重 复劳动造成的产品质量和设计意图的改变。当下游用户重做模型时，他们会改变设 计人员原来建立的模型，从管理角度讲，希望一个模型可以用于所有下游用户，但 是一旦需要重做模型，就会发现所分析的和所加工的模型会有很大差别。 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 对于那些注重产品性能优化的公司会非常关心这个问题，例如，汽车中的关键 传动部件必须优化到承受最极限应力和温度条件，而在航天领域，几何形状会对系 统的功能产生至关重要的影响。 此外，如果在下游流程中对模型作了重大改变就不能保证对主c a d 模型进 行适时更新，这可能会导致工程公司或工程部门长期的维护和责任问题。 1 4 论文主要工作 在论述目前作为全球标准的s t e p 数据交换中间文件实现方式的基础上，对作为 交换对象的c a d 模型的一些数据交换缺陷进行了分类，提出了有针对性的建模原则、 方法和习惯。本论文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 综合运用当前c a d 领域的有关数据协同的知识，以数据交换质量作为研究对 象，对涉及模型数据交换质量的相关的基础理论知识进行了归纳和整理，对国内外 在提高c a d 数据西同质量方面的研究状况和实际应用进行了深入的研究。重点掌握国 际通用的数据交换标准s t e p 标准中的部分标准：包括 第1 1 部分：描述方法e x p r e s s 语言参考手册。即g b t 1 6 6 5 6 1 1 1 9 9 6 第2 1 部分：实现方法交换文件结构的纯正文编码h p g b t 1 6 6 5 6 2 1 1 9 9 7i d t i s 0 1 0 3 0 3 2 l ：1 9 9 4 第4 2 部分：集成通用资源几何和拓扑表示 第2 0 3 部分：应用协议配置控制设计 g b t 1 6 6 5 6 2 0 3 1 9 9 7i d t i s 0 1 0 3 0 3 2 0 3 ：1 9 9 4 ( 2 ) 本文研究了当前各种通用c a d 系统普遍采用的实体模型数据格式b - r e p 和 c g s 格式，从而确定用来进行交换的模型数据所应包含的信息及信息组织结构。 ( 3 ) s t e p 标准第一次将完整的产品模型交换的思想变为标准，本文重点研究了 s t e p 标准里的模式化描述语言- - e x p r e s s ，分析了其在c a d 三维模型信息的描述上 的优势和局限。 ( 4 ) 在上述研究的基础上，结合具体的基于s t e pa p 2 0 3 中性文件实现方式， 本文对容易引发交换错误的数据缺陷进行分析和归类，强调在初始建模阶段对影响 交换的模型缺陷进行避免，并提出了相应的建模方法和建模原则。 ( 5 ) 熟练掌握目前国内企业广泛采用的三维造型c a d 系统p r o e n g i n e e r i n g 和 s o l i d w o r k ，熟悉这些软件的产品设计过程和产品模型的s t e p 文件输出过程，并在 这两个软件之间进行产品数据的交换，对前面所提到的c a d 模型的部分具有代表性 的数据缺陷进行验证。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 论文的章节安排 本论文对c a d 模型数据交换缺陷进行研究，致力于在初始建模阶段保证c a d 模型的数据交换质量。 第一章：绪论：本章说明课题的研究背景，对本论文的研究的方向和意义进行 阐述重点介绍数据交换发展的历程以及当前数据交换质量的研究现状。 第二章：产品数据质量概述：介绍在产品全生命周期中所涉及到的各方面的产 品数据信息，重点介绍c a d 模型实体数据信息及数据质量概念。 第三章：s t e p 相关知识介绍：本章对国际通用的c a d 数据交换标准s t e p 和 相关知识作简要的介绍，为第四章的c a d 模型数据缺陷分类作知识上的准备和理 论上的铺垫。涉及到了s t e p 的由来、定义、当前国内外研究现状、标准的组成和 实现方法。重点介绍e x p r e s s 信息建模语言，详细地解析s t e pa p 2 0 3 中性文件 结构。 第四章：交换过程中的数据质量缺陷分析：本节论述数据交换质量问题的客观 存在性，导致数据质量问题的主要原因。然后从c a d 模型数据表达格式和中性文 件信息表达格式出发，将交换过程中的数据质量缺陷分为几何和拓扑两类并分别进 行阐述。最后提出有助于改善c a d 模型初始数据交换质量的建模原则和建模方法。 第五章：数据交换实践：通过在通用三维绘图软件s o l i d w o r k s 和p r o e 之间进 行c a d 模型进行数据交换实验，对本文中所提到的部分存在交换质量问题的c a d 模型数据缺陷进行了验证。 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 2 产品数据质量概念 产品数据质量概念有两方面的含义，一是产品全生命周期的数据信息能够满足 不同的人员和生产过程的需求，做到各取所需。二是便于交换，以实现数据共享和 信息交流。 2 1 产品数据及常用数据交换格式 所谓产品数据是指在产品全生命周期中与产品相关的全部数据的总称，包括产 品设计信息、制造信息、工艺信息、工程分析信息、测试信息、与产品相关的项目 信息、与产品相关的人员及设备信息、材料信息等等。产品数据管理系统用来管理 这些数据，这些数据几乎可以包含多媒体数据类型中的所有形式。从数据的媒体形 式分，可分为3 维图形数据、2 维图形数据、图象数据、文本数据、数据库字段数 据、音频、视频、动画等。产品数据各种媒体形式如表2 一i 所示： 表2 1 媒体类型及举例 t a b 2 1m e d i u mt y p e sa n dc a s e 操体类型举例 3 维图形数据产品概念设计、产品几何造型数据、仿真数据等。 2 维图形数据产品概念设计、产品几何造型数据、电路图等。 图象数据产品设计图纸、工业c t 扫描数据等。 文本数据与产品相关的各类说明性文档。 数据库字段数据与产品相关的各类说明性字段数据或原数据。 音频语音类型的产品设计、制造、使用说明。 视频装配、制造过程仿真或操作示范等。 动画装配、制造过程仿真或操作示范等。 上述数据中，三维c a d 图形数据通过中间文件格式s t e p 在不同的c a x 系统 之间进行数据传递和交换是产品数据交换的一部分，也是最为关键的一部分，其数 据交换质量即为本论文所研究的重点所在。 2 2 产品数据质量简介 本论文所指的数据质量是指产品数据精度和可用性满足数据用户要求的程度， 好的数据质量是指在正确的时间将正确的数据传送给正确的人，好的数据质量可以 大连理工大学硕士学位论文 避免大量重复劳动，提高协同设计的效率，c a d 模型结构和文档是c a d 数据的基 本质量元素。 表2 2 常用数据传递格式 t a b 2 2g e n e r a ld a t af o r m a tf o re x c h a n g e 媒体类型常用数据传递格式 3 维产品造型数据 s t e p 2 维图形数据 d d w g 图象数据t i f f g i f j p e g 等 无格式文档数据 t x t 格式文档数据 m sw o r d ，p o s t s c r i p t 表格 l o r e s1 2 3 ，m se x c e l ( 1 ) 数据分类 c a d 数据的分类应满足合适的分类准则，并根据其特征信息划分成综合的、便 于记忆的三维c a d 模型组。 目前有许多分类方法，例如划分成“零部件”各“操作设备”( 按照制造过程) 、 划分成各种过程链( 依赖于材料和制造方法) 、划分成可见和不可见零件，或者按 照开发阶段来划分( 概念、协议、版本、细节等) 。 表2 3 数据分类 t a b 2 3d a t at y p e s a 类b 类 尖锐的零几何c a d 0 倒角后的零几何c a d l 带有公差的制造几何c a d 2 与材料及过程有关的制造几何 c a d 3 表中的列描述数据质量的服务需求分类，行表示按照处理过程阶段划分的几何 设计步骤。 与样式设计有关的几何归为a 类零件。 与功能有关的几何，例如框架零件或聚合住零部件，归为b 类零件。 图2 1 所示为基于车身过程链的几何设计阶段。 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 禽甓始放的曲面倒角后的曲面带有公差的 模型( 尖锐边)模型曲面模型 c a d 0c a d lc a d 2 图2 i 基于车身过程链的几何设计阶段 涉及材料与过 程的曲面模 c 值d 3 f i g 2 1g e o m e t r yd e s i g ns t a g eb a s e do nt h ep r o c e s s1 i n ko fa u t o m o t i v eb o d yd e s i g n ( 2 ) 过程链 在产品协同设计过程中，存在相互衔接的不同阶段，称作过程链。它们对产品 的几何和结构数据以及数据的范围有不同的要求。这些阶段相对于它们共同的最终 产品具有逻辑关系( 零件与工装装配件的相关性等) 。c a d 数据必须明确地与它 在各个阶段的使用意图相关联。图2 一l 是一个汽车车身外壳的过程链 对单个技术工人来说，要考虑整个过程链是非常困难的，因为一些特殊的过程 是由独立的组织在不同的地点确定的。尽管如此，每个人都必须意识到对产品的质 量和成本所承担的责任 本论文所做研究的产品数据对象是以三维产品造型，其数据格式形式是国际通 用的产品全生命周期表达格式一s t e p 中间文件格式，对c a d o 、c a d l 、c a d 2 、 c a d 3 各个阶段的数据质量都有涉及，尝试从数据交换的源头( c a d 模型数据) 来 保证数据交换的质量，将问题解决在萌芽状态是降低成本的最好途径之一。 大连理工人学硕士学位论文 几何设计阶段处理过程 c a d l c a d l e a d 2 ，c a d 3 c a d l c a d l c a d l c a d 2 c a d 如 应墨二 i产品工襄铸件图样。 凶由蛀 c a d1 e a d 2 ， c a d 3 j8 匝堕至 图2 2 汽车车身外壳过程链 用途p 与生产制造无关一 与工装设计、n c 编程一 无关一 与铸件模型生成无关一 与铸造过程无关一 根据客户和供方的接受一 程度：与生产无关一 取决于首批加工完成的零 件的被接受状态一 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 3s t e p 标准相关知识介绍 s t e p 作为一种全球性的信息交换标准，第一次将完整的产品模型交换思想变 为标准，并且为面向应用的软件开发过程提供了方法论。s t e p 是一个关于产品数 据的计算机可理解的表示和交换国际标准。其目的是提供一种不依赖于具体系统的 中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据。这种描述本质上不仅适合于 巾性文件交换，而且是实现和共享数据库以及存档的基础。s t e p 标准总结了前。 阶段各个工业发达国家在产品信息建模技术上取得的研究成果，同时又为下一轮 c a d 集成软件的产品竞争设立了新的起跑线。 本章内容以分析s t e p 中性文件信息为中心，收集和整理产品二维c a d 模型数 据在整个数据交换过程的各个阶段的表达形式，重点分析e x p r e s s 语言对c a d 模 型数据的几何信息和拓扑信息的描述模式，为后面的数据交换过程中实体模型的数 据缺陷分析作理论上的准备 3 1s t e p 的由来 随着几何造型技术的发展。7 0 年代后期各种c a d 系统逐步得到广泛应用。大 型企业中各种信息交换量，特别是所制造产品的定义( 描述) 数据量都很大，通过 蓝图这一传统手段进行交换，其效率远远不能满足计算机辅助技术的需要。于是人 们开始提出了希望通过计算机进行高效率，高正确卒的数据交换，以及制定数据交 换标准的要求。 产品数据交换标准的制定工作，最初是由设在美国的c a d - - i 公司开始的。它 委托m c a u t o 公司于1 9 7 9 年制定了实体造型( 包括c s g 表示和b - - r e p 表示) 数 据文件规范，又委托s h a p e d a t a l t d ，公司于1 9 8 0 年制定了实体造型的应用接口规范 a i s 。 差不多在同时，美国政府部门及工业界人士在美国空军i c a m 程序的基础上， 由美困国家标准局n b s 协调，开发了一个数据交换方法，即著名的初始图形交换规 范i g e s 。i g e s 在开发过程中，还吸收了波音公司的c a d c a m 集成信息网和通用 电气公司的中性数据库的思想。i g e s l0 的草案于1 9 8 0 年1 月发表，适用的范围最 初仅限于画蓝图所需要的典型几何、图形和标注实体。随后，美国国家标准研究所 a n s i 的y 1 4 6 2 委员会将i g e s l 0 的内容与m c a u t o 公司的文件规范合并，于1 9 8 1 年1 月发表了i g e s l 0 产品数据交换标准的正式版本。其后，i g e s 规范维护委员会 致力于它的应用领域的扩展及所支持造型方法的扩充，先后发表了i g e s 2 ，0 、3 0 、 人连理工人学硕士学位论文 4 0 版本。i g e s 是目前世界上最著名的标准之一，许多著名的计算机硬件软件产品 7 。商都声称在产品中支持它。 为了克服i g e s 的缺点和不足( 如文件太长，有些数据不能表达等) ，在世界 范围内出现了其它些著名的标准。例如，法国于1 9 8 3 年发表了数据交换规范s e t 。 s e t 采用了i g e s 的数据模型，但文件格式完全不同。德国于1 9 8 4 年发表了产品数 据交换的德国国家标准v d a f s ，即d i n 6 6 3 0 1 。v d a f s 的特色是应用领域较窄， 只处理自由曲面数据的交换。此外，美国空军还组织制定了产品定义数据接口p d d i ， 于1 9 8 5 年发表。p d d i 定义了一些数据结构来改进i g e s 表达能力的不足，并且还 首次提出了产品定义数据和产品生命周期等概念。 1 9 8 4 年，i g e s 组织设置了一个研究计划称为p d e s 。p d e s 计划的目标是为产 品数据交换规范的开发建立一种方法论，并运用这套方法论开发一个新的产品数据 交换标准，以便从根本上克服i g e s 的弱点。它的显著特点是着重于产品模型信息 的交换，而不仅是几何和图形信息的传递。这种产品模型的信息应能直接为 c a d c a m 系统所理解，除了几何数据，还包括许多非几何数据，例如制造特征、 公差、材料特征、表面处理要求等。p d e s 支持的产品数据交换方式除了文件交换 外，还有共享数据库，这在实现方式上比以前的标准前进了一大步。p d e s 的开发 方式基于一个三层的体系结构( 应用层、逻辑层、物理层) 、参考模型及形式化语 言( e x p r e s s ) ，消除了定义中的二义性，提高了计算机可实现的程度。所以，无 论是开发标准的方法论还是标准的结构和内容方面，p d e s 计划都有重大的突破利 创新，为s t e p 标准的制定奠定了基础。 与p d e s 计划在美国开始实施的同时，1 9 8 4 年11 月，欧洲共同体的e s p r i t 计划中专门设了计算机辅助设计接口研究计划c a d l 它的主要研究课题是开发 一种几何模型描述语言，并在商品化的c a d 和f e m 系统上设计和实现相应的前后 处理器。c a d 女i 在s t e p 国际标准的制定中有很大影响，特别是在几何和形状信 息、有限元接口和绘图信息等方面。 1 9 8 3 年1 2 月，国际标准化组织i s o 设立了t c l 8 4 工业自动化系统技术委员会， 下设第四分委员会s c 4 ，即产品数据表达和交换分委员会。i s ot c l 8 4 s c 4 负责 制定s t e p 国际产品模型数据交换标准，它以p d e s 计划为基础，也吸收欧洲国家 几种标准的长处。1 9 8 8 年i s o 把美国的p d e s 文本作为s t e p 标准的建议草案公布， 而pd e s 计划的制定工作也并入s t e p 计划，p d e s 的工作则转向s t e p 标准的 应用，并将p d e s 的含义改为“应用s t e p 进行产品数据交换”。 尹卫星：基于s t e p 标准的c a d 模型数据交换质量研究 s t e p 标准在1 s o 中的正式代号为i s 0 1 0 3 0 3 ，是一个关于产品数据的计算机可 理解的表示和交换国际标准。其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能 够描述产品整个生命周期中的产品数据。这种描述本质上不仅适合于中性文件交换， 而且是实现和共享数据库以及存档的基础。产品生命周期包括产品的设计、制造、 使用、维护、报废等。产品在其中各个过程产牛的信息既多又复杂，而且分散在不 同的地方。这就要求这些产品信息以计算机能理解的形式表示，而且在不同的计算 机系统之间进行交换时保持一致和完整。产品信息的交换包括信息的存储、传输、 获取、存档。产品数据的表达和交换，构成了s t e p 标准。 由于信息技术的迅速发展，标准化工作与技术的发展几乎是并行进行的，两者 互相补充，相互促进。所以s t e p 的正式版颁布过程中仍要不断修改和补充。很多 c a d 软件公司为了争取时间，已经着手开发基于s t e p 标准的新代 c a d c a p p c a m 集成系统。s t e p 标准总结了前一阶段各个工业发达国家在产品信 息建模技术上取得的研究成果，同时又为下一轮c a d 集成软件的产品竞争设立了 新的起跑线。 j 前s t e p 制定工作的重要任务是制定众多的面向各种应用领域的应用协议，建 立完整、一致、有效的集成产品模型，提出更高的实现方式。从企业界来看，基于 s t e p 的软件产品的研制，并迅速应用于实际领域，是保证些实力雄厚的大公司对 s t e p 不失去耐心并继续支持s t e p 开发设计的关键。事实上证明，现在市场上的大型 软件，都有s t e p 的接口，如u g i i ，p r o e n g i n e e r ，s o l i d w o r k s ，s o l i d e d g e ，j l i ) t 等等，s t e p 标准日益趋向成熟，应用也日益广泛。 我国也参照s t e p 制定了相应的国标，代号为g b 厂r 1 6 6 5 6 。s t e p 的目标是提 供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据。 从信息的范围和允许的实现方法来看，s t e p 大大超出了以前的一些交换标准，如 i g e s ，s e t 和v d a f s ，这些标准仅仅是为了几何信息的交换。s t e p 第一次将完整 产品模型交换的思想变为标准，并且为面向应用的软件开发过程提供了方法论。 s t e p 标准涉及机械、电子、汽车、建筑、船舶等许多领域，建立s t e p 标准是一个 非常庞大的工程，虽然s t e p 中已有相当部分非常成熟，但目前s t e p 仍处在发展 阶段。s t e p 标准的建立采用逐步公布的方法，就是说，成熟的部分可以先公布， 没有必要等到所有的部分成熟之后一起公布。有的部分己经相当成熟，有的部分还 在起尊之中，有的部分尚未开始建立。但是，毫无疑问，s t e p 标准的完善与广泛 应用将是不可逆转的历史潮流。 大连理工大学硕士学位论文 311 s t e p 标准的定义 s t e p 是s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a 的略称，正式名 称是i s o10 3 0 3p r o d u c td a t ar e p r e s e n t a tio na n de x c h a n g e 。 s t e p 标准是由i s o 负责生产技术领域的t c l 8 4 下的s c 4 讨论并制定。委员会的正式 名称是i s o t c l 8 4 s c 4 “t e c h n i c a lc o m m i t t e e1 8 4 ( i n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m s a n di n t e g r a t i o n ) s u bc o m m i t t e e4 ( i n d u s t r i a ld a t aa n dg l o b a lm a n u f a c t u rj n g p r o g r a m m i n gl a n g u a g e s ) ” 1 。 该标准是“信息表达”和“信息交换”相关标准，是为实现c a d 数据交换服务的， 它的存在不依靠任何特定系统，它旨在提供一个可以共享和交换整个产品生命周期 相关信